置换和间隙固溶体固溶强化的效果
材料科学与工程学院
第二节 奥氏体的形成机制
固 态 相 变 原 理 与 应 用
材料科学与工程学院
奥氏体的形成机制
固
态 相
相组成：（
α
+
Fe3C ） → γ
变 碳含量： 0.02% 6.69% 0.77%
原
理 点阵结构：BCC 复杂斜方 FCC
与
应
用 新旧相之间存在结构和成分的差异！
变
原 铁素体和渗碳体的两相界面上。
理
与 高相变驱动力下（大的过热度），
应
用 也可在铁素体内的亚晶界上形核。
材料科学与工程学院
原因：（ⅰ） 成分起伏；（ⅱ） 结
固 构起伏；（ⅲ） 能量起伏：杂质及其
态
相 他晶体缺陷较多，具有较高的畸变能，
变
原 理
新相形核可消除部分晶体缺陷而使系
与 应
统的自由能降低。并且产生的应变能
三相存在六个碳浓度：
材料科学与工程学院
固 态
与γ相接触的α碳浓度为Cα/γ；
相 变
与cem相接触的α碳浓度为Cα/cem；
原 理
与α相接触的γ碳浓度为Cγ/α ；
与 应
与cem相接触的γ碳浓度为Cγ/cem ；
用 与γ接触的cem碳浓度为Ccem/γ；
与γ接触的cem碳浓度为Ccem/α；
材料科学与工程学院
态 新相界面。长大过程是这两个相界面向α
相
变 和cem中推移的过程。
原
理
假定相界面是平直的，在ACl以上T1
与
应 温度，相界面处各相中的碳浓度可由Fe-
用
Fe3C状态图来确定。
材料科学与工程学院
固 态 相 变 原 理 与 应 用
Cxx/y ——表示与y相接触的x相的成分
材料科学与工程学院
固 态 相 变 原 理 与 应 用
结构改组，成分重新分布
材料科学与工程学院
结构改组是同素异构转变特点决
固
态 定的！成分重新分布是由于结构变
相
变 化引起溶解度变化造成的！
原
理 与
具体过程：奥氏体形核→奥氏体
应 用
晶核长大→剩余碳化物溶解→奥氏
体均匀化
材料科学与工程学院
1. 奥氏体的形核
固 外因：热力学条件；内因：三大起伏
态
相
奥氏体晶核的形核位置?
固 态 相 变 原 理 与
应 热处理过程一般要经过加热—保
用
温—冷却三个阶段。
材料科学与工程学院
大多数热处理工艺都需要将钢加
固 热到相变临界点以上，即部分或全部
态
相 奥氏体化，然后以一定的速度冷却，
变 原
使奥氏体转变成为某种组织，从而获
理 得所需性能。奥氏体化是达到上述目
与
应 的的第一步，奥氏体晶粒大小和组织
用
状态，直接影响后续处理的组织和性
能。
材料科学与工程学院
第一节 奥氏体及其组织特征
固
态 什么叫奥氏体？合金奥氏体？
相 变 原 理 与 应 用
材料科学与工程学院
固
八面体间隙
态 相
四面体间隙
变
原
理
理论溶解度20%，
与
应
实际2.11%，2.5个
用
晶胞溶一个C原子
材料科学与工程学院
奥氏体的组织结构
固 奥氏体的组织通常是由等轴状的
变 以使γ/cem相界面处γ的碳含量上升到相平
原
理 衡所需的碳浓度，而必须溶解大量的α才
与 应
能使γ/α相界面处γ的碳浓度趋于平衡。所
用 以，共析钢γ化时，总是α先消失，还有剩
余的cem残留下来。
材料科学与工程学院
固 态
原因：γ/Fe3C相界面处的碳浓
相 变
度差（Ccem/γ－Cγ/cem）远远大于γ/α
4. 奥氏体均匀化
固 态
原来为渗碳体的区域碳浓度较高，
相 变
而原来为铁素体的区域碳浓度较低。
原 因此，只有继续加热或保温，借助
理
与 于碳原子的扩散，才能使整个奥氏
应
用 体中碳的分布趋于均匀。
材料科学与工程学院
综上所述，奥氏体的形成过程可以 固 分为四个阶段：
态 相 变 原 理 与 应 用
材料科学与工程学院
某温度下相界面必须保持平衡！！！
固 态 相 变 原 理 与 应 用
材料科学与工程学院
固
态
相
变 综上所述， γ中的碳浓度差是相界面
原
理 移动的驱动力，相界面移动的结果
与
应 用
是Fe3C的不断溶解，α相不断转变为
γ相。
材料科学与工程学院
3. 剩余碳化物溶解
固 共析钢为什么还有剩余碳化物？
态
相 在γ长大过程中，只需溶解小部分cem就可
态
相 多边形晶粒所组成，晶界较为平直。
变 原 理 与 应 用
材料科学与工程学院
12CrNi3钢的原奥氏体晶粒组织
固 态 相 变 原 理 与 应 用
材料科学与工程学院
固 态 相 变 原 理 与 应 用
奥氏体不锈钢
材料科学与工程学院
固
态
相
变
原
理
与 间隙类原子强行“挤入”到γ-Fe的
应 用
晶格间隙中，造成更大的点阵畸变
材料科学与工程学院
固
态
相 固态相变原理第二章 钢中奥氏体的
变
形成
原
理
与
应
用
材料科学与工程学院
2.1 扩散型相变（I）——奥氏体化
固 态 相
变 学习目的和要求：掌握奥氏体化过程
原
理 及其形成机理；掌握奥氏体相变动力
与
应 学及影响因素；掌握奥氏体晶粒长大
用
及其控制。了解奥氏体钢的性能特点。
材料科学与工程学院
用 也较容易借助相界（晶界）流变而释
放。
材料科学与工程学院
在快速加热时，由于过热度大，
固 奥氏体临界晶核尺寸减小，且相变所
态 相
需的浓度起伏也减小（？），因此新
变 相奥氏体也可在铁素体内的亚晶界上
原
理 形核。
与
应
用
材料科学与工程学院
2．奥氏体晶核长大
固 奥氏体形核后，形成γ/α和γ/Fe3C两个
• 非共析钢平衡组织的奥氏体化
固
态
相 存在先共析α和先共析cem向奥氏体
变
原 转变的过程。
理
与 过共析钢中cem的溶解和均匀化需
应
用 要更长时间。
材料科学与工程学院
• 非平衡组织的奥氏体化
固
态 返修品，原始组织为非平衡组织
相 变
（马氏体、回火马氏体、贝氏体，回
原 理
火托氏体、魏氏体等），这些组织中
与 尚保留着明显的方向性。此时，如果
应
用 奥氏体化工艺控制不当，很容易出现
组织遗传，使钢的力学性能受损。
材料科学与工程学院
避免出现组织遗传的措施：（1）
固 奥氏体化前用退火或高温回火消除
态
相 变
非平衡组织；（2）对于铁素体-珠
原 理
光体低合金钢，可以采用正火或多
与 应
次正火，细化晶粒；（3）严格控制
原 理
相界面处的碳浓度差（Cγ/α－Cα/γ）。
与 应
严格的计算见动力学
用
材料科学与工程学院
碳化物溶解机理
固 态
一般认为是通过Fe3C中的碳原子
相 变
向γ中扩散和铁原子向贫完成的。
与 应
Fe3C不稳定
用
碳原子需要扩散，铁原子原位转化
材料科学与工程学院